[發(fā)明專利]一種提高經(jīng)表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法

無效

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• 申請日: 2012-11-14
• 公開（公告）號: CN102936647A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發(fā)明（設計）人: 王東坡;夏立乾;鄧彩艷;吳良晨;王志江
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發(fā)明屬于焊接疲勞技術領域，更加具體地說，涉及一種提高經(jīng)表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，具體用于已經(jīng)通過超聲沖擊處理的，并且在循環(huán)載荷下服役一段時間但未達到設計疲勞壽命的焊接接頭，可有效延長其剩余壽命。

背景技術

疲勞指的是材料在循環(huán)載荷作用下發(fā)生的性能變化。疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機械失效的主要原因之一，引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值往往遠小于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析估算出來的“安全”載荷。

從焊接結(jié)構(gòu)的應用開始，人們就注意到焊接件同其他金屬構(gòu)件一樣，應注重焊接構(gòu)件的疲勞強度設計。然而焊接接頭又有其特殊性，一般情況下，焊接結(jié)構(gòu)具有整體性而使其剛性增大，應力難于處于均勻狀態(tài)，容易產(chǎn)生較大的應力集中，而且集中的范圍較廣。在應力集中處（往往是缺陷處）容易產(chǎn)生疲勞裂紋，如果裂紋在結(jié)構(gòu)使用過程中繼續(xù)擴展，就可能在一定條件下導致結(jié)構(gòu)的破壞失效。超聲沖擊處理于1972年由俄羅斯科學家Statnikov發(fā)明，用于船只和潛艇構(gòu)件，以加強疲勞性能和抗腐蝕性能。可用于對碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦等多種不同材料的處理。其強化機理如下：

1.在材料中產(chǎn)生可控的殘余壓應力層；

2.細化晶粒，在處理表面形成可觀的強化層；

3.可控地改變焊趾處的局部幾何形狀，改善應力集中。

大量研究已表明，超聲沖擊處理對材料的疲勞性能，無論在高周還是低周疲勞，都有很大幅度的提高，疲勞壽命可到達未經(jīng)過超聲沖擊處理構(gòu)件的數(shù)倍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，為了在表面機械強化處理提高疲勞壽命的基礎上，對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命進一步的提高，提供了一種提高經(jīng)表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，該方法在原有強化的基礎上，使得疲勞壽命又有進一步的提升，并且操作簡單、可行性好，效果可觀。

本發(fā)明的技術目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)：

本發(fā)明考慮到焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，其疲勞壽命顯著增加，觀察疲勞斷口發(fā)現(xiàn)裂紋為平行于表面的線狀擴展，不同于焊態(tài)斷口的點狀裂紋源環(huán)形擴展。這是因為超聲沖擊處理時，雖在處理位置產(chǎn)生了殘余壓應力、細化表面晶粒、改善應力集中，但不可避免地引入了微小損傷，這即成為了沖擊態(tài)斷口的裂紋起裂源。

本發(fā)明的一種提高經(jīng)表面機械強化的焊接接頭疲勞壽命的方法，即在初始經(jīng)過超聲沖擊強化和經(jīng)歷一段疲勞載荷后，再對焊接接頭焊趾處進行超聲沖擊處理的方法，可有效消除一定限度下由前一次處理產(chǎn)生并緩慢擴展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態(tài)，如此往復即可實現(xiàn)有效延長經(jīng)超聲沖擊強化的焊接接頭的剩余疲勞壽命的目的。

提高經(jīng)超聲沖擊強化的焊接接頭剩余壽命的方法采用在焊接接頭經(jīng)歷一段疲勞載荷后再次對其實施超聲沖擊處理的工藝方法，使沖擊后表面恢復至前一次沖擊后狀態(tài)，具體步驟如下：

1.首先將超聲沖擊處理后的試樣進行周次循環(huán)載荷至斷裂，并根據(jù)測試結(jié)果計算95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命，記作N_T

2.然后將初始超聲沖擊處理后的試樣進行一定時間的周次循環(huán)載荷后停止加載，重新進行超聲沖擊處理后，再進行周次循環(huán)載荷

3.在試樣經(jīng)過相同的循環(huán)周次疲勞載荷后，再次停止加載，對焊接接頭處進行超聲沖擊處理后，再進行周次循環(huán)載荷，直至斷裂

所述超聲沖擊處理集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，超生沖擊處理參數(shù)為激勵電流1.0A，振幅26.4μm，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度（10—20°）橫向擺動；在加載過程中，進行超聲沖擊時，需要集中在焊接焊頭位置，尤其是焊趾處，將焊趾附近10mm區(qū)域完全覆蓋，覆蓋率達到300%（對每一個作用點超聲沖擊3次），超生沖擊處理參數(shù)為激勵電流1.0A，振幅26.4μm，沖擊針應垂直于焊趾中心，并做小幅度（10—20°）橫向擺動，需將上一道超聲沖擊痕跡完全覆蓋。

所述周次循環(huán)載荷的時間為步驟1中測得的95%存活概率75%置信度下的疲勞壽命（記作N_T）的50%或者75%。

本發(fā)明采用超聲沖擊工藝于一定疲勞周次后對焊接接頭焊趾處進行再次沖擊，可有效消除一定限度下由前一次處理產(chǎn)生并緩慢擴展的微小裂紋，使沖擊后的表面回歸至前一次沖擊后的狀態(tài)。間隔適當?shù)钠谥艽危纯捎行а娱L經(jīng)超聲沖擊強化的焊接接頭的剩余疲勞壽命。本發(fā)明涉及的超聲沖擊設備經(jīng)濟、輕便、操作簡單。本發(fā)明提供的方法可行性強，效果顯著，實際應用過程中可選用設備停機檢查時期，做再次超聲沖擊處理。經(jīng)試驗驗證，采用本發(fā)明提供的方法，有效提高經(jīng)機械強化焊接接頭疲勞壽命約1.5倍。